地质构造内部充填介质/土体渗透稳定性综合判别方法与流程

本发明涉及一种地质构造内部充填介质/土体渗透稳定性综合判别方法。

背景技术：

堤防是防洪工程体系的重要组成部分，管涌是洪水期间堤坝出现险情的主要原因。土体的渗透稳定性是指渗流条件下土体内粗颗粒阻止细颗粒流失的能力，一旦细颗粒流失，整个土体的渗透性会增大，同时土体的抗剪强度也会降低。对堤防或土石坝来说，由于细颗粒的流失可能会导致坝体产生局部沉降或集中渗透，从而产生管涌，最终导致坝体和堤防的溃决。据不完全统计，土石坝约1/3以上是以渗透侵蚀的形式破坏，其中土料的渗透稳定性差是其中一个重要的原因。此外，诱发隧道突水突泥重大灾害的地质构造(如宽大裂隙、断层、溶洞、岩溶管道等)内部可能充填有粘土、细砂、砂砾、断层泥等多种介质，其充填失稳模式与突水机理也与充填介质的渗透稳定性密切相关。

国内外对土料渗透稳定性已经作了大量的研究工作，从土体几何条件的角度出发，通过大量的实验提出了判定土体渗透稳定性的几何准则。由于试验方法、渗流方向以及鉴别细颗粒流失量的衡量标准不同，以致试验资料规律性差，成果分析难以互相吻合。迄今为止，对于判别土石料的稳定性或是否发生管涌，还没有一个被公认的统一准则。

土体的稳定性主要取决于颗粒级配曲线(psd)、相对密实度以及渗透水压力。其中，土体自稳特性主要取决于其psd曲线特征，而土体失稳的临界破坏条件主要取决于相对密实度和渗透水压力大小。土体自稳性判别方法主要有三类方法：不均匀系数法，细颗粒含量法和颗粒级配曲线法，当前普遍采用的颗粒级配曲线法中，以下三种半定性判别准则应用较为广泛：kezdi准则，sherard准则和kenney&lau准则。这三个准则可以统一采用颗粒级配曲线上特定区间内的切线斜率来表示，但由于需知道某些特殊点处的粒径和颗粒含量，导致应用这些准则进行土体自稳性判别时面临三个主要问题：(1)常规室内试验方法只能获得有限的数据，难以得到完整的颗粒级配曲线；(2)即使我们采用先进的测试手段获得更多的psd数据，也难以获取这些特殊位置处的数据；(3)由于获得的数据都是离散的，而不连续，切线斜率只能手动计算获得。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述技术与方法的不足，基于psd参数方程提出一种可解决上述问题的思路，即：基于有限的实验数据，首先通过psd参数方程实现颗粒级配曲线预测及数学化表达，进而实现充填介质自稳性的判别。

本发明采用的技术方案为：基于psd参数方程的土体渗透稳定性综合判别方法，实施步骤如下：

(1)获得土体的颗粒级配曲线数据；

(2)基于步骤(1)测得的颗粒级配曲线数据，通过数据拟合和参数分析，计算得到psd参数方程的未知参量的取值，实现颗粒级配曲线的数学化表达；

(3)采用kezdi、sherard和kenney&lau准则对土体渗透稳定性进行评价，获得三个特征点；

(4)通过分析三个特征点连线与kezdi、sherard和kenney&lau准则边界曲线之间的关系，实现对土体渗透稳定性的准备判定。

进一步的，在步骤(1)中获得土体的颗粒级配曲线数据的方法：基于针对拟评价的土体，通过有限的室内筛分实验，获得土体的颗粒级配曲线数据。

进一步的，在进行室内筛分实验时，采用标准试样筛获得样本不同粒径所对应的颗粒含量数据。

进一步的，采取高标准、多只试样筛进行室内筛分实验，以便于获取更多的样本曲线数据，保证后续方法评估结果的准确性。

进一步的，psd参数方程采用f4p模型、f3p模型、fbp模型、skaggs模型或者weibull模型。

进一步的，在步骤(2)中基于获得的psd参数方程，可获得应用kezdi、sherard和kenney&lau准则时所需的特殊位置处的粒径和颗粒含量数据。

进一步的，所述的kezdi准则、sherard准则和kenney&lau准则统一采用颗粒级配曲线上某个区间内的切线斜率来表示。

进一步的，所述的方法中基于获得的psd参数方程，可实现颗粒级配曲线上特定区间内的切线斜率的自动计算，克服了当前判别准则只能手动计算的不足。

进一步的，步骤(4)只具体的判定防法如下：

若三点连线位于kezdi、sherard和kenney&lau准则边界曲线上方，则表明该土体具有渗透稳定性；若三点连线位于kezdi、sherard和kenney&lau准则边界曲线下方，则表明该土体不具有渗透稳定性。

本发明提供的地质构造内部充填介质/土体渗透稳定性综合判别方法，其有益之处在于：

(1)基于有限的室内筛分实验，可获得表征土体颗粒级配曲线的参数方程，实现颗粒级配曲线的数学化表达；

(2)基于获得的psd参数方程，可获得应用kezdi、sherard和kenney&lau准则时所需的特殊位置处的粒径和颗粒含量数据；

(3)基于获得的psd参数方程，可实现颗粒级配曲线上特定区间内的切线斜率的自动计算，克服了当前判别准则只能手动计算的不足；

(4)采用本发明提供的分析方法，可实现土体渗透稳定性的准备判定，与传统判别准则相比，预测适用性和准确性得到了大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是土体样本实验数据及拟合曲线(以fbp模型为例)。

图2是psd曲线上三个判别准则的切线斜率计算方法。

图3、图4是土体样本psd的切线斜率曲线及三个特征点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于需知道某些特殊点处的粒径和颗粒含量，导致应用这些准则进行土体自稳性判别时面临三个主要问题：(1)常规室内试验方法只能获得有限的数据，难以得到完整的颗粒级配曲线；(2)即使我们采用先进的测试手段获得更多的psd数据，也难以获取这些特殊位置处的数据；(3)由于获得的数据都是离散的，而不连续，切线斜率只能手动计算获得，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种一种基于psd参数方程的土体渗透稳定性综合判别方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于psd参数方程的土体渗透稳定性综合判别方法，包括以下步骤：

(1)获得土体的颗粒级配曲线数据；

(2)基于步骤(1)测得的颗粒级配曲线数据，通过数据拟合和参数分析，计算得到psd参数方程的未知参量的取值，实现颗粒级配曲线的数学化表达；

(3)采用kezdi、sherard和kenney&lau准则对土体渗透稳定性进行评价，获得三个特征点；

(4)通过分析三个特征点连线与kezdi、sherard和kenney&lau准则边界曲线之间的关系，实现对土体渗透稳定性的准备判定。

每一步具体的方法如下：

(1)针对拟评价的土体，通过室内筛分实验等常规方法获得土体的颗粒级配曲线数据。

通过常规室内筛分实验，采用标准分样筛获得样本不同粒径所对应的颗粒含量数据，如图1所示。建议尽可能采取高标准、多只试样筛进行室内筛分实验，以便于获取更多的样本曲线数据，保证后续方法评估结果的准确性。

(2)从国内外学者已提出的数十种psd参数方程中，遴选出具有良好适用性的参数作为研究对象，基于测得的颗粒级配曲线数据，通过数据拟合和参数分析，计算得到psd参数方程的未知参量的取值，实现颗粒级配曲线的数学化表达。

根据psd参数方程的适用性，本发明推荐采用f4p模型，f3p模型，fbp模型，skaggs模型和weibull模型(见表1)，基于图1中样本的实验数据，对颗粒级配曲线数据进行数据拟合，计算得到psd参数方程未知参量的取值。图1中个给出了fbp模型的拟合结果。

表1

(3)采用kezdi、sherard和kenney&lau准则对土体渗透稳定性进行评价，获得三个特征点。

kezdi准则、sherard准则和kenney&lau准则可以统一采用颗粒级配曲线上特定区间内的切线斜率来表示，需知道某些特殊点处的粒径和颗粒含量。如图2所示，kezdi/sherard方法可以用bc两点间的切线斜率来表示，其中c点处的颗粒含量比b点处的颗粒含量多15％；kenney&lau方法可以用ae两点间的切线斜率来表示，其中e点处的粒径是a点处粒径的4倍。

采用上述获得的psd参数方程，可自动计算得到图3中的slope|bc公式和slope|ae公式对应的切线斜率曲线，如图3所示。实线是slope|bc公式对应的切线斜率，虚线是slope|ae公式对应的切线斜率。虚线与两条横向曲线相交于a、b两点，实线上与0点连线斜率最小的点记为c点，则a、b、c三点即为采用kezdi、sherard和kenney&lau准则对土体渗透稳定性进行评价时获得的三个特征点。

(4)基于获取的三个特征点，通过分析三点连线与kezdi、sherard和kenney&lau准则边界曲线之间的关系，实现对土体渗透稳定性的准备判定。

将a、b、c三点连接成线，并分析三点连线与图3中斜线s＝1.66f的关系：若三点连线位于s＝1.66f斜线上方，则表明该土体具有渗透稳定性；若三点连线位于s＝1.66f下方，则表明该土体不具有渗透稳定性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。